유기 태양 전지 또는 플라스틱 태양 전지는 광전지 효과를 이용하여 태양 광으로부터 전기를 생산하기위한 광 흡수 및 전하 수송을 위해 전도성 유기 고분자 또는 소형 유기 분자를 취급하는 전자 제품의 한 분야 인 유기 전자 장치를 사용하는 일종의 광전지입니다. 대부분의 유기 태양 전지는 고분자 태양 전지입니다.

유기 태양 전지에 사용되는 분자는 높은 처리량에서 솔루션을 처리 할 수 ​​있으며 값이 싸기 때문에 대량 생산에 필요한 생산 원가가 낮습니다. 유기 분자의 유연성과 결합하여, 유기 태양 전지는 광전지 응용 분야에 잠재적으로 비용 효율적입니다. 분자 공학 (예 : 고분자의 길이와 기능적 그룹 변경)은 밴드 갭을 변화시켜 전자 조율을 가능하게합니다. 유기 분자의 광 흡수 계수가 높기 때문에 소량의 물질로 많은 양의 빛을 흡수 할 수 있으며 대개 수 백 나노 미터 수준입니다. 유기 태양 전지와 관련된 주요 단점은 실리콘 태양 전지와 같은 무기 태양 전지에 비해 낮은 효율, 낮은 안정성 및 낮은 강도입니다.

실리콘 기반 장치에 비해 폴리머 태양 전지는 가볍고 (자율 센서에서는 중요 함) 잠재적으로 일회용으로 제조 할 수 있으며 (인쇄 전자 장치를 사용하는 경우도 있음) 분자 수준에서 유연하고 사용자 정의가 가능하며 잠재적으로 환경에 미치는 영향이 적습니다. 폴리머 태양 전지는 또한 투명성을 나타낼 잠재 성을 가지고있어 창, 벽, 유연한 전자 제품 등에 응용할 수있다. 그림 1에 장치 예가 나와있다. 폴리머 태양 전지의 단점도 심각하다. 경질 재료의 효율 및 실질적인 광 화학적 분해를 경험할 수 있습니다.

폴리머 태양 전지의 비효율 성과 안정성 문제는 낮은 비용과 높은 효율성으로 인해 태양 전지 연구에서 인기있는 분야가되었습니다. 2015 년 현재, 폴리머 태양 전지는 직렬 구조를 통해 10 % 이상의 효율을 달성 할 수있었습니다.

물리학
광전지는 빛을 직류 (DC) 전기로 변환하는 특수 반도체 다이오드입니다. 광 흡수 재료의 밴드 갭에 따라 광전지는 저에너지, 적외선 (IR) 또는 고 에너지, 자외선 (UV) 광자를 DC 전기로 변환 할 수 있습니다. 광전지에서 광 흡수 물질로 사용되는 작은 분자와 고분자의 공통적 인 특성은 모두 큰 공액 시스템을 가지고 있다는 점입니다. 탄소 원자가 교번 단일 결합 및 이중 결합으로 공유 결합 된 공액 시스템이 형성된다. 이 탄화수소의 전자 pz 오비탈은 비 국부 화되고 π * 반 결합 궤도를 갖는 비편 재화 된 결합 π 궤도를 ​​형성한다. 비편 재화 π 궤도는 최고 점유 분자 궤도 (HOMO)이고, π * 궤도는 가장 낮은 비 점유 분자 궤도 (LUMO)이다. 유기 반도체 물리학에서 HOMO는 원자가 밴드의 역할을하는 반면 LUMO는 전도 밴드 역할을합니다. HOMO와 LUMO 에너지 준위 간의 에너지 분리는 유기 전자 재료의 밴드 갭으로 간주되며 일반적으로 1 ~ 4eV의 범위입니다.

밴드 갭보다 높은 에너지로 흡수 된 광자가 과도한 에너지를 열적으로 방출하여 더 낮은 전압을 초래할 때 밴드 갭을 줄이는 것에 대한 절충이 있긴하지만 물질의 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 모든 빛을 흡수 할 수 있습니다 및 전력 변환 효율. 이러한 물질이 광자를 흡수하면 여기 상태가 만들어져 분자 또는 고분자 사슬의 영역으로 한정됩니다. 여기 상태는 엑시톤 또는 정전기 상호 작용에 의해 결합 된 전자 – 홀 쌍으로 간주 될 수있다. 광전지에서, 엑시톤은 유효 전자장에 의해 자유 전자 – 홀 쌍으로 분해된다. 효과적인 필드는 서로 다른 두 재료 사이의 헤테로 접합을 만들어 설정됩니다. 유기 광전지에서, 유효 장은 전자가 흡수체의 전도대에서 수용체 분자의 전도대로 떨어짐으로써 엑시톤을 분해한다. 억 셉터 물질은 흡수체 물질보다 낮은 전도 대단을 가질 필요가있다.

고분자 태양 전지는 일반적으로 전자 도너와 전자 억 셉터 (벌크 헤테로 접합 태양 전지의 경우), 홀 또는 전자 블록킹 (전자 공여체), 인듐 주석 산화물 (ITO) 전도성 유리 위에 전자 또는 정공 블록킹 층으로 구성됩니다. 층 및 금속 전극이 있습니다. 금속 전극의 특성뿐만 아니라 블록킹 층의 성격과 순서는 셀이 규칙적 또는 역전 된 장치 아키텍처를 따르는 지의 여부에 달려 있습니다. 반전 된 셀에서, 양전극 및 음극이 반전되기 때문에 전하가 정상적인 장치에서와 반대 방향으로 장치를 빠져 나옵니다. 거꾸로 된 세포는보다 적합한 물질에서 음극을 이용할 수 있습니다. 거꾸로 된 OPV는 규칙적으로 구조화 된 OPV보다 수명이 더 길지만 일반적으로 일반 OPV만큼 높은 효율에 도달하지 못합니다.

벌크 헤테로 접합 폴리머 태양 전지에서, 빛은 엑시톤을 생성한다. 전자 도너와 억 셉터 블렌드 사이의 계면에서의 후속 전하 분리는 소자의 활성층 내에서 이루어진다. 그런 다음이 전하가 전하가 셀 외부로 흐르는 장치의 전극으로 이동하여 작업을 수행 한 다음 반대쪽에 장치를 다시 넣습니다. 세포의 효율은 몇 가지 요인, 특히 비 geminate 재조합에 의해 제한됩니다. 홀 이동성 (hole mobility)은 능동 층 (active layer)에서 더 빠른 전도를 유도한다.

유기 광전지는 반도체 p-n 접합보다는 전자 도너 및 전자 억 셉터 물질로 만들어집니다. 엑시톤 전자 – 홀 쌍이 생성되는 유기 PV 셀의 전자 도너 영역을 형성하는 분자는 일반적으로 탄소 p 오비탈 하이브리드 화로부터 기인 된 비편 사화 된 π 전자를 갖는 공액 폴리머이다. 이러한 π 전자는 분자의 최고 점유 분자 궤도 (HOMO)에서 최저 비 점유 분자 궤도 (LUMO)까지 π -π * 천이로 표시된 스펙트럼의 가시적 인 부분 또는 그 근처의 빛에 의해 여기 될 수 있습니다. 이 궤도 사이의 에너지 밴드 갭은 흡수 될 수있는 빛의 파장을 결정합니다.

무기 결정 성 태양 전지 재료와는 달리, 밴드 구조와 비편 재화 된 전자와 함께, 유기 광전지에서의 여기자는 0.1 ~ 1.4 eV의 에너지와 강하게 결합되어있다. 이러한 강한 결합은 유기 분자에서의 전자파 기능이보다 국지적으로 일어나므로 정전 인력이 전자와 홀을 함께 엑시톤 (exciton)으로 유지할 수 있기 때문에 발생합니다. 전자 및 홀은 전자의 화학 포텐셜이 감소하는 경계면을 제공함으로써 해리 될 수있다. 광자를 흡수하는 물질이 공여체이고, 전자를 포획하는 물질을 수용체 (acceptor)라고합니다. 도 2에서, 중합체 사슬은 공여체이고 풀러린은 수용체이다. 해리 후에도, 전자와 홀은 여전히 ​​”쌍 쌍둥이 (geminate pair)”로 결합 될 수 있으며, 그 후에 전자장은 그들을 구별 할 필요가있다. 전자와 구멍은 접촉부에서 수집되어야합니다. 전하 캐리어 이동도가 충분하지 않으면, 캐리어는 접점에 도달하지 않고 대신에 트랩 사이트에서 재결합하거나 새로운 캐리어의 흐름에 반대하는 바람직하지 않은 공간 전하로서 장치 내에 남아있게된다. 전자와 정공 이동도가 일치하지 않으면 후자의 문제가 발생할 수 있습니다. 이 경우, 공간 충전 제한 광전류 (SCLP)는 소자 성능을 저해한다.

유기 광전지는 활성 중합체 및 풀러렌 – 기반 전자 수용체로 제조 될 수있다. 가시 광선에 의한이 시스템의 조명은 고분자에서 풀러렌 분자로의 전자 전달을 유도합니다. 그 결과, 고분자 사슬에 광 유도 준 입자 또는 폴라 론 (P +)의 형성이 일어나고, 풀러렌은 라디칼 음이온 (C-
60). 폴라 론은 이동성이 좋기 때문에 확산 될 수 있습니다.

접합 유형
가장 단순한 유기 PV 장치는 평면 헤테로 접합을 특징으로합니다. 전자 도너 또는 전자 억 셉터 유형의 유기 활성 물질 (폴리머 또는 소분자)의 막이 컨택 사이에 샌드위치된다. 활성 물질에서 생성 된 엑시톤은 재결합 및 분리되기 전에 확산되어 정공 및 전자를 특정 수집 전극에 확산시킬 수있다. 전하 캐리어는 전형적인 비정질 유기 반도체에서 단지 3-10nm의 확산 길이를 가지므로 평면 셀은 얇아야하지만 얇은 셀은 광을 덜 잘 흡수한다. Bulk heterojunctions (BHJs)는 이러한 결점을 해결합니다. BHJ에서, 전자 공여체와 억 셉터 물질의 혼합물은 혼합물로서 주조되고, 이후 상분리된다. 장치의 각 재료의 영역은 캐리어 확산에 적합한 거리 인 수 나노 미터로 분리되어 있습니다. BHJ는 나노 스케일에서 재료 형태에 대한 민감한 제어가 필요합니다. 중요한 변수는 재료, 용매 및 도너 – 수용체 중량비를 포함합니다.

BHJ를 넘어선 다음 논리적 인 단계는 태양 전지 또는 정렬 된 헤테로 접합 (OHJs)을 위해 주문 된 나노 물질이다. OHJ는 BHJ와 관련된 가변성을 최소화합니다. OHJ는 일반적으로 정렬 된 무기 물질과 유기 활성 영역의 하이브리드입니다. 예를 들어, 광전지 폴리머는 TiO2와 같은 세라믹의 기공에 증착 될 수 있습니다. 구멍은 여전히 ​​폴리머를 통해 기공의 길이를 접촉부로 확산시켜야하기 때문에 OHJ는 유사한 두께 제한을받습니다. 홀의 이동성 병목 현상을 줄이는 것이 OHJ의 장치 성능을 더욱 향상시키는 열쇠입니다.

단일 층
단층 유기 태양 광 전지는 가장 간단한 형태입니다. 이 셀은 2 개의 금속 도체, 일반적으로 높은 일 함수를 갖는 ITO (Indium Tin Oxide) 층과 알루미늄, 마그네슘 또는 칼슘과 같은 낮은 일 함수 금속 층 사이에 유기 전자 재료 층을 샌드위치함으로써 만들어집니다. 그러한 셀의 기본 구조가 그림에 나와 있습니다.

두 도체 사이의 일 함수의 차이는 유기층에 전기장을 설정합니다. 유기층이 빛을 흡수하면, 전자는 LUMO로 여기되고 홀을 HOMO에 남겨 두어 여기자를 형성하게된다. 다른 일 함수에 의해 생성 된 잠재력은 전자를 양극 (회로의 비금속 부분과 접촉하는 데 사용되는 전기 도체)과 음극의 구멍으로 끌어 당기는 엑시톤 쌍을 분리하는 데 도움이됩니다.

등급이 매겨진 이종 접합
전자 공여체와 수용체는 그라디언트가 점차적으로 혼합되는 방식으로 혼합됩니다. 이 아키텍처는 분산 된 헤테로 접합에서의 짧은 전자 이동 거리와 이중층 기술의 전하 구배의 장점을 결합합니다.

연속 접합
등급별 헤테로 접합과 유사하게, 연속 접합 개념은 전자 공여체로부터 전자 수용체로의 점진적 전이를 실현하는 것을 목표로한다. 그러나, 수용체 물질은 후 – 중합 개질 단계에서 도너 중합체로부터 직접 제조된다.

생산
활성층이 소자 효율을 크게 결정하므로,이 소자의 형태는 많은 주목을 받았다.

하나의 물질이 다른 물질보다 용매에 더 잘 녹는 경우, 먼저 기판 상부에 증착되어 필름을 통해 농도 구배가 발생합니다. 이는 PCBM이 ODCB 용액으로부터 스핀 코팅시 장치의 바닥쪽으로 축적되는 경향이있는 폴리 -3- 헥실 티 오펜 (P3HT), 페닐 -C61- 부티르산 메틸 에스테르 (PCBM) 장치에서 입증되었다. 이 효과는 용해성이 높은 성분이 코팅 과정에서 “용매가 풍부한”상태로 이동하여 용제가 더 오래 남아있는 필름의 바닥쪽으로 더 용해되는 성분을 축적하기 때문에 나타납니다. 생성 된 막의 두께는 결정화 및 침전의 역학이보다 농축 된 용액 또는 더 빠른 증발 속도 (두꺼운 장치를 제조하는 데 필요함) 때문에 상이하기 때문에 상 분리에 영향을 미친다. 홀 – 수집 전극에 가까운 결정질 P3HT 농축은 비교적 얇은 (100nm) P3HT / PCBM 층에 대해서만 달성 될 수있다.

초기 형태의 구배는 주로 용제 증발 속도와 블렌드 내부의 도너와 억 셉터 사이의 용해도의 차이에 의해 생성됩니다. 용해도에 대한 이러한 의존성은 풀러린 유도체 및 P3HT를 사용하여 명확하게 입증되었습니다. 더 느린 속도로 증발하는 솔벤트 (클로로 벤젠 (CB) 또는 디클로로 벤젠 (DCB))를 사용하면 더 큰 수직 분리 또는 응집을 얻을 수 있으며 솔벤트가 빨리 증발하면 솔벤트가 효과적으로 분리되지 않습니다. 더 큰 용해도 구배는보다 효과적인 수직 분리를 이끌어 내야하고, 작은 구배는보다 균일 한 필름을 만들어야합니다. 이 두 가지 효과는 P3HT : PCBM 태양 전지에서 확인되었습니다.

용매 증발 속도뿐만 아니라 후 용매 증기 또는 열 어닐링 절차도 연구했습니다. P3HT : PCBM과 같은 블렌드는 열 어닐링 과정에서 이익을 얻는 반면, PTB7 : PCBM과 같은 다른 블렌드는 아무런 이점도없는 것으로 보인다. P3HT에서 이러한 이익은이 영역 내에서 PCBM 분자의 배출을 통해 생성 된 P3HT 상 결정 성의 증가로부터 오는 것으로 보인다. 이것은 어닐링 시간의 함수로서 도메인 조성 변화뿐만 아니라 P3HT에서의 PCBM 혼 화성의 연구를 통해 증명되었다.

혼 화성에 근거한 위의 가정은 벌크 헤테로 접합 장치 내에 도너 또는 억 셉터 물질의 순수한 비정질 상만이 존재하지 않으므로 소자의 효율을 완전히 설명하지 못한다. 2010 년 논문에서는 순수한 비정질 영역이 없으므로 순수한 위상 및 개별 인터페이스를 가정하는 현재 모델이 실패 할 수 있다고 제안했습니다. 현재 모델은 위상 순도에 대한 고려없이 인터페이스에서 위상 분리를 가정하기 때문에 모델을 변경해야 할 수도 있습니다.

열처리 절차는 적용시기에 따라 다릅니다. 수직 종 이동은 활성층과 공기 또는 다른 층 사이의 표면 장력에 의해 부분적으로 결정되기 때문에, 추가 층의 증착 전후에 어닐링 (대부분 금속 음극이 가장 빈번한)이 결과에 영향을 미친다. P3HT의 경우 : PCBM 태양 전지의 수직 이동은 금속 음극을 증착 한 후 셀을 어닐링하면 향상됩니다.

인접한 층 옆의 기증자 또는 억 셉터 축적은 이러한 축적이 홀 또는 전자 차단 효과를 유발할 수 있으므로 디바이스 성능에 도움이 될 수있다. 2009 년 P3HT : PCBM 태양 전지의 수직 분포의 차이는 전자 이동성에 문제를 일으켜 매우 열악한 소자 효율성을 가져 오는 것으로 나타났습니다. P3HT 위에 PCBM의 얇은 층을 스핀 코팅하는 장치 아키텍처의 간단한 변경은 장치 구성 요소간에 재현성있는 수직 분리를 제공함으로써 셀 재현성을 크게 향상시킵니다. 더 나은 효율을 위해 PCBM과 음극 사이의 접촉이 높아야하므로 장치의 재현성이 크게 향상됩니다.

중성자 산란 분석에 따르면, P3HT : PCBM 혼합물은 “하천”(P3HT 지역)이 “하천”(PCBM 지역)에 의해 중단 된 것으로 기술되어왔다.

용제 효과
스핀 코팅 및 증발 조건은 소자 효율에 영향을 미친다. 용매 및 첨가제는 도너 – 억 셉터 형태에 영향을 미친다. 첨가제는 증발 속도를 늦추므로 결정 성 고분자가 많아 져서 구멍 전도도와 효율이 향상됩니다. 전형적인 첨가제는 1,8- 옥탄 디티 올, 오르토 – 디클로로 벤젠, 1,8- 디 요오도 옥탄 (DIO) 및 니트로 벤젠을 포함한다. DIO 효과는 PCBM 성분의 선택적 가용화에 기인하며 전자의 평균 도약 거리를 근본적으로 변경하여 전자 이동성을 향상시킵니다. 첨가제는 또한 중합체의 효율을 크게 증가시킬 수 있습니다. HXS-1 / PCBM 태양 전지의 경우, 그 영향은 전하 생성, 수송 및 저장 안정성과 상관 관계가있었습니다. PTTBO와 같은 다른 폴리머 또한 첨가제없이 약 3.7 %에서 5 % 이상의 PCE 값을 달성하여 DIO에서 상당한 이점을 얻습니다.

공 용매로서 클로로 나프탈렌 (CN)으로부터 제조 된 중합체 태양 전지는보다 통상적 인 순수한 클로로 벤젠 용액으로부터 제조 된 것보다 높은 효율을 갖는다. 이는 도너 – 억 셉터 형태가 변하기 때문에 도너 폴리머와 풀러렌의 상분리가 감소하기 때문입니다. 결과적으로, 이는 높은 홀 이동도로 해석됩니다. 공용 매가 없으면 풀러린 형태의 큰 도메인이 형성되어 용액에서 고분자 응집으로 인해 세포의 광전지 성능이 저하됩니다. 이 형태는 건조 중에 액체 – 액체상 분리로부터 유래한다. 열분해를 해결하면 혼합물이 상당한 열적 변동이있는 spinodal 영역으로 들어가게됩니다. 큰 영역은 전자가 효율적으로 수집되는 것을 방지합니다 (PCE 감소).

고분자 구조의 차이가 작 으면 결정 패킹에 중요한 변화가 생겨 필연적으로 장치 형태에 영향을 줄 수 있습니다. PCPDTBT는 두 폴리머 (C 대 Si) 사이의 가교 원자의 차이로 인해 PSBTBT와 다르다. 이는 PCPDTBT로 더 좋은 형태가 얻어 짐을 의미한다 : Si 시스템과는 반대로 첨가물을 포함하는 PCBM 태양 전지는 도움없이 좋은 형태를 얻는다. 추가 물질.

자기 조립 셀
초분자 화학은 스핀 캐스팅 및 가열시 조립되는 도너 및 억 셉터 분자를 사용하여 조사되었습니다. 대부분의 초분자 어셈블리는 작은 분자를 사용합니다. 관형 구조의 기증자 및 억 셉터 도메인은 유기 태양 전지에 이상적으로 보입니다.

풀러렌을 함유 한 디 블록 중합체는 열 어닐링시 안정한 유기 태양 전지를 생산한다. 적절한 초분자 상호 작용이 도입 될 때 미리 설계된 형태를 갖는 태양 전지.

폴리 티 오펜 유도체를 함유 한 BCP에 대한 진보는 잘 정의 된 네트워크로 조립되는 태양 전지를 생산한다. 이 시스템의 PCE는 2.04 %입니다. 수소 결합은 형태학을 안내합니다.

공중 합체 접근법에 기반을 둔 소자 효율은 아직 2 % 장벽을 넘지 만 벌크 헤테로 접합 소자는 단일 접합 구성에서 7 % 이상의 효율을 나타냅니다.

풀러렌 – 그래프트 된 막대 – 코일 블록 공중 합체는 도메인 조직을 연구하는 데 사용되었습니다.

유기 태양 전지에 대한 초분자 접근법은 도메인 분리를 유도하는 거대 분자 힘에 대한 이해를 제공합니다.

적외선 폴리머 셀
적외선 셀은 가시 파장보다는 적외선 범위의 빛을 우선적으로 흡수합니다. 2012 년 현재 이러한 셀은 가시 광선에 대해 거의 70 % 투명하게 만들 수 있습니다. 세포는 용액 처리를 사용하여 저렴한 비용으로 많은 양을 만들 수 있다고합니다. 적외선 폴리머 셀은 휴대용 전자 장치, 스마트 윈도우 및 건물 일체형 태양 전지의 추가 구성 요소로 사용할 수 있습니다. 셀은 기존의 불투명 한 금속 전극을 대체하여 상단 전극으로은 나노 와이어 / 이산화 티타늄 복합 필름을 사용합니다. 이 조합으로 4 %의 전력 변환 효율이 달성되었습니다.

전력 변환 효율
폴리머 태양 전지를 둘러싼 주요 쟁점 중 하나는 가공 된 전지의 낮은 전력 변환 효율 (Power Conversion Efficiency : PCE)입니다. 실용적인 것으로 간주되기 위해서는 PSC가 적어도 10-15 %의 효율을 달성 할 수 있어야합니다. 이는 이미 무기물 PV보다 훨씬 낮습니다. 그러나, 폴리머 태양 전지의 낮은 비용으로 인해, 10-15 %의 효율은 상업적으로 실행 가능하다.

PCE (η)는 단락 전류 (JSC), 개방 회로 전압 (VOC) 및 필 팩터 (FF)의 곱에 비례합니다.

Pin은 태양 광 발전의 입사각입니다. 최근의 폴리머 태양 전지 성능의 향상은 단락 회로 전류를 높이기 위해 밴드 갭을 압축하는 것과 HOMO (낮이 높은 점유 궤도)를 낮추어 개방 회로 전압을 높이는 데있다. 그러나 PSC는 낮은 충진 인자 (일반적으로 70 % 이하)로 여전히 어려움을 겪고 있습니다. 그러나 2013 년 현재 연구원들은 채우기 인자가 75 % 이상인 PSC를 제작할 수있었습니다. 과학자들은 거꾸로 된 BHJ를 통해 그리고 비 전통적 공여자 / 수용체 조합을 사용하여 성취 할 수있었습니다.

상업화
고분자 태양 전지는 실리콘 태양 전지 및 기타 박막 전지와 상업적으로 경쟁하지 않고 있습니다. 폴리머 태양 전지의 현재 효율은 실리콘 전지보다 훨씬 낮은 10 %에 달한다. 고분자 태양 전지는 또한 효과적인 보호 코팅이 부족한 환경 파괴로 고통 받고 있습니다.

전하 캐리어 확산을 촉진시키기 위해서는 성능 향상이 필요하다. 수송은 질서와 형태의 통제를 통해 강화되어야한다. 인터페이스 엔지니어링은 인터페이스를 통한 전하 전송 문제에 적용되어야합니다.

폴리머 태양 전지의 효율을 높이기 위해 탠덤 구조를 이용한 연구가 진행되고 있습니다. 무기 탠덤 아키텍처와 마찬가지로, 유기 탠덤 아키텍처는 효율성을 증가시킬 것으로 예상됩니다. 저 밴드 갭 재료를 사용하는 단일 접합 소자와 비교할 때, 직렬 구조는 광전 변환시 열 손실을 줄일 수있다.

고분자 태양 전지는 상업적으로 널리 생산되지 않습니다. 2008 년부터 Konarka Technologies는 고분자 – 풀러렌 태양 전지의 생산을 시작했습니다. 초기 모듈은 3-5 %의 효율성을 가지며 몇 년 동안 만 지속되었습니다. Konarka는 그 이후 폴리머 태양 전지가 PV 시장에 침투 할 수 없기 때문에 파산 신청을했습니다.

유기 태양 전지 모델링
상기 논의 된 바와 같이, 유기 반도체는 장거리 주문이없는 고도로 무질서한 물질이다. 이것은 전도대와 밸런스 밴드 엣지가 잘 정의되어 있지 않다는 것을 의미합니다. 또한,이 물리적 및 에너지 장애는 광 생성 된 전자 및 정공이 포획되어 결국 재결합하는 트랩 상태를 생성한다.

장치 모델에서 유기 태양 전지를 정확하게 설명하는 핵심은 트랩 상태를 통한 캐리어 트래핑 및 재조합을 포함합니다. 일반적으로 사용되는 접근법은 효과적인 매체 모델을 사용하는 것입니다. 여기서는 표준 드리프트 확산 방정식을 사용하여 장치에서의 전송을 설명합니다. 그런 다음 트랩 상태의 기하 급수적 인 꼬리가 도입되어 이동성 모서리에서 밴드 갭으로 붕괴됩니다. 이러한 트랩 상태에서 캡처 / 탈출을 설명하기 위해 Shockley-Read-Hall (SRH)을 사용할 수 있습니다. Shockley-Read-Hall 메커니즘은 풀러렌 소자의 거동을 시간 영역과 정상 상태 모두에서 재현 할 수있는 것으로 나타났습니다.

현재 도전과 최근 진전
유기 광전지와 관련된 어려움은 내부 양자 효율이 좋음에도 불구하고 무기 태양 광 소자에 비해 낮은 외부 양자 효율 (최대 70 %)을 포함한다. 이것은 100 나노 미터 수준의 활성층에 의한 불충분 한 흡수로 인한 것이다. 산화 및 환원, 재결정 화 및 온도 변화에 대한 불안정성은 또한 장치의 성능 저하 및 시간 경과에 따른 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 이것은 컴포지션이 다른 장치의 다른 범위에서 발생하며 활발한 연구가 진행되는 영역입니다.

다른 중요한 요인은 불순물의 존재에 의해 영향을받는 여기자 확산 길이, 전하 분리 및 전하 수집을 포함한다.

전하 캐리어 이동성 및 전송
특히 벌크 헤테로 접합 태양 전지의 경우 전하 캐리어 이동을 이해하는 것이 유기 태양 전지의 효율을 향상시키는 데 중요합니다. 현재, 벌크 헤테로 접합 디바이스는 불균일 전하 캐리어 이동도를 가지며, 홀 이동도는 적어도 전자 이동도보다 낮다. 이로 인해 공간 전하가 증가하고 소자의 충진 계수 및 전력 대화 효율이 감소합니다. 이동도가 낮기 때문에 효율적인 벌크 헤테로 접합 태양 전지는 얇은 활성층으로 설계되어야 전하 캐리어의 재조합을 피할 수 있으며 이는 공정에서 흡수 및 확장성에 해로울 수 있습니다. 모의 실험에 따르면, fill factor가 0.8 이상이고 외부 양자 효율이 90 % 이상인 벌크 헤테로 접합 태양 전지를 가지려면 전하 캐리어의 증가뿐만 아니라 공간 전하 효과를 줄이기 위해 균형 잡힌 전하 캐리어 이동성이 필요합니다. 이동도 및 / 또는 이분자 재결합 속도 상수의 감소를 초래할 수있다.

필름 형태학의 효과
전술 한 바와 같이, 도너 – 억 셉터 유기 물질의 분산 헤테로 접합은 평면 헤테로 접합과 비교하여 높은 양자 효율을 가지며, 분산 된 헤테로 접합에서, 여기자가 확산 길이 내에서 계면을 발견 할 가능성이 더 높기 때문이다. 필름 형태학은 또한 장치의 양자 효율에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 거친 표면과 보이드 (void)의 존재는 직렬 저항과 단락의 가능성을 증가시킬 수 있습니다. 결과적으로 박막 몰 포로 지 (quantum efficiency)는 ~ 1000Å 두께의 금속 캐소드로 덮은 후에 소자를 어닐링함으로써 향상 될 수있다. 유기 막 상부의 금속 막은 유기 막에 응력을가함으로써 유기 막의 형태 학적 이완을 방지합니다. 이는보다 고밀도로 패킹 된 막을 제공함과 동시에, 유기 박막의 벌크 내부에서 상 – 분리 된 상호 침투성 도너 – 억 셉터 계면의 형성을 허용한다.

제어 된 성장 헤테로 접합
전하 분리는 도너 – 억 셉터 인터페이스에서 발생한다. 전극으로 이동하는 동안, 전하가 무질서한 상호 침투 유기 물질 내에서 트랩 및 / 또는 재조합 될 수 있고, 결과적으로 디바이스 효율이 감소된다. 헤테로 접합의 제어 된 성장은 도너 – 억 셉터 물질의 위치에 대한 더 나은 제어를 제공하여 평면형 및 고도로 혼선이없는 헤테로 – 접합부의 출력 효율 (출력 전력 대 입력 전력의 비)보다 훨씬 더 큰 전력 효율을 초래한다. 따라서, 구조 및 필름 형태를 더 잘 제어하기위한 적절한 처리 파라미터의 선택이 매우 바람직하다.

성장 기술의 진보
광전지 적용을위한 대부분의 유기 필름은 스핀 코팅 및 기상 증착에 의해 증착된다. 그러나 각각의 방법에는 일정한 단점이있다. 스핀 코팅 기술은 더 큰 표면을 고속으로 코팅 할 수 있지만 한 층에 용매를 사용하면 기존의 고분자 층을 열화시킬 수있다. 다른 문제는 스핀 – 코팅이 단일 기판으로 전체 기판을 코팅하는 결과로서 디바이스 용 기판의 패터닝과 관련된다.

진공 열 증발
또 다른 증착 기술은 진공 상태에서 유기 물질의 가열을 포함하는 진공 열 증착 (VTE)이다. 기판은 소스에서 수 센티미터 떨어진 곳에 위치하여 증발 된 물질이 그림과 같이 기판 위에 직접 증착 될 수 있습니다. 이 방법은 서로 다른 층 사이에 화학적 상호 작용없이 다양한 재료의 많은 층을 증착하는 데 유용합니다. 그러나, 막 두께 균일 성 및 대 면적 기판에 대한 균일 한 도핑에 때때로 문제가있다. 또한, 챔버의 벽에 증착되는 물질은 이후 증착을 오염시킬 수 있습니다. 이 “시선”기술은 또한 음영으로 인해 필름에 구멍을 만들 수 있습니다. 이로 인해 장치 직렬 저항과 단락 회로가 증가합니다.

유기 증기 상 증착
유기 증기 상 증착 (OVPD)은 진공 열 증발보다 필름의 구조 및 형태를 더 잘 제어 할 수 있습니다. 이 공정은 불활성 캐리어 기체의 존재하에 기판 상에 유기 물질을 증발시키는 것을 포함한다. 생성 된 막 형태는 가스 유속 및 소스 온도를 변화시킴으로써 조정될 수있다. 균일 한 막은 캐리어 가스 압력을 감소시킴으로써 성장 될 수 있으며, 이는 가스의 속도 및 평균 자유 경로를 증가시키고 결과적으로 경계층 두께가 감소한다. OVPD에 의해 생성 된 셀은 벽이 따뜻하기 때문에 파티클의 벽에서 나오는 플레이크의 오염과 관련된 문제가 없으며 분자가 붙어서 필름을 생성 할 수 없습니다.

VTE에 대한 또 다른 이점은 증발 률의 균일 성이다. 이것은 캐리어 가스가 소스에서 나오는 유기 물질의 증기로 포화되어 냉각 된 기판쪽으로 이동하기 때문에 발생합니다 (그림 6 (b)). 성장 매개 변수 (공급원의 온도, 기저 압력 및 캐리어 가스의 플럭스)에 따라, 증착 된 막은 사실상 결정질 또는 무정형 일 수있다. OVPD를 사용하여 제조 된 소자는 VTE를 사용하여 제조 된 소자보다 높은 단락 전류 밀도를 보여준다. 전자의 전도를 허용하는 동안 셀 상부의 여분의 도너 – 억 셉터 헤테로 접합부 층이 여기자를 차단할 수있다. 그 결과 셀 효율성이 향상됩니다.

유기 태양열 잉크
유기 태양 광 잉크는 비정질 실리콘 태양 전지에 비해 형광 조명 조건에서 높은 성능을 제공 할 수 있으며 표준 유기 태양 전지 기술에 비해 실내 전력 밀도가 30 ~ 40 % 증가한다고합니다.

가벼운 트래핑
다양한 유형의 구성 요소가 얇은 유기 태양 전지의 가벼운 트래핑 (Light In-Coupling) 효과를 높이기 위해 적용됩니다. 유기 태양 전지의 유연성 외에도 ITO와 유리 대신에 유연한 전극과 기판을 사용함으로써 완전히 유연한 유기 태양 전지를 생산할 수 있습니다. 이러한 플렉시블 기판 및 기판의 사용에 의해, 산란 입자를 포함하는 폴리머 전극, 나노 임프린트 폴리머 전극, 패턴 화 PET 기판 및 심지어 액정 디스플레이 (LCD) 용으로 상업화 된 광학 디스플레이 필름과 같은 OPV에 대한 광 트래핑 효과를 제공하는보다 쉬운 방법이 도입된다. 을 기판으로 사용한다. 쉬운 빛 트래핑 구조 처리의 장점을 가지고 OPV의 성능을 향상시키기위한 많은 연구가 이루어질 것입니다.

탠덤 태양 광 발전에 사용
최근의 연구와 연구는 하이브리드 탠덤 태양 전지 스택의 최상위 셀로 유기 태양 전지를 이용하는 데서 이루어졌다. 유기 태양 전지는 실리콘이나 CIGS와 같은 전통적인 무기 광전지보다 높은 밴드 갭을 갖기 때문에 열 에너지로 인해 많은 에너지를 잃지 않고 더 높은 에너지의 광자를 흡수 할 수 있으므로 더 높은 전압에서 작동합니다. 흡수되지 않은 저에너지 광자 및 고 에너지 광자는 상부 유기 태양 전지를 통과 한 후 하부 무기 셀에 의해 흡수된다. 유기 태양 전지는 또한 저비용으로 평방 미터당 10 달러의 저비용으로 처리가 가능하며 기존의 무기 태양 전지 기술의 전반적인 효율성을 향상시키는 인쇄 가능 상단 셀을 생성합니다. 높은 투명성을 가지면서 낮은 접촉 저항을 유지하는 반투명 전극의 증착에 대한 연구를 포함하여 하이브리드 탠덤 태양 전지 스택의 형성을 가능하게하기 위해 많은 연구가 이루어졌다.